杜聿明的突圍計畫還來不及實施，1月2日24時，粟裕下達了總攻杜聿明集團的命令。
命令指出：為貫徹戰役決心，乘敵人還未能得到充足糧食、彈藥補給，且疲憊動搖恐慌之際，爭取迅速解決該敵，全殲杜邱李匪部，以獲淮海戰役全勝，決首先分割攻殲13兵團殘部，壓縮對敵之包圍圈，而後乘勝擴張戰果，攻殲邱兵團殘部。
粟裕的作戰命令明確指出了各縱的作戰任務和行動方向，以及各縱協同中應注意的問題，同時賦予了各攻擊集團領導人根據敵情制定行動部署的權力。
1月6日，華野我軍的總攻便開始了。
國民黨李彌兵團第9軍軍長黃淑在回憶我軍總攻時的情況時說：「元月6日起，解放軍發起全面總攻，炮火之猛烈為前所未有，青龍集被轟成一片火海，屍橫遍野。第9軍之青龍集、大小李庄外圍據點全被解放軍所拔除，師、團長親自率隊出擊亦無法奪回原有陣地。解放軍以坑道作業接近軍、師指揮中心，杜、邱、李在此緊急情況下，不得不將突圍計畫提前實施。」
1月7日，杜聿明慌忙部署突圍。據敵第9軍軍長黃淑回憶：杜聿明鑒於元月6日以前作戰的教訓，乃將突圍攻擊任務交由兩個兵團輪流擔任。
第一天，邱兵團由張廟堂（邱兵團第5軍第200師周朗所佔領的陣地）之線，向解放軍陣地進攻，李兵團在後掩護。李彌命令第8軍及第115軍（系在包圍圈臨時編組成的，軍長司元愷，歸第13兵團戰鬥序列）在大荒村等地擔任掩護，第9軍移至張廟堂附近準備邱兵團突圍奏效後接替第5軍陣地。
第二天，第9軍越過邱兵團8日所攻佔之陣地繼續向解放軍攻擊，如此更替躍進。杜、邱、李認為這樣部署避免了兩個兵團之間的矛盾。
李彌根據杜聿明的部署，下達了13兵團準備突圍、轉移陣地的部署和作戰命令：「第13兵團7日轉移陣地，8日作攻擊準備，9日開始突圍。各軍編成突擊隊攻擊前進時，第1日由第9軍、第2日由第64軍、第3日由第8軍、第4日由第115軍擔任攻擊任務，輪番攻擊互相掩護前進。」
然而，李彌兵團是華野我軍決定尋殲的首要目標。在我軍的強大攻勢下，李彌感到末路來臨，突圍部署尚未實施就開始逃竄。至上午9時，其在陳閣、馬庄等8個村莊陣地在華野我軍的強大攻勢下被迫棄守，駐守陣地的官兵倉皇向西、向南逃竄。
按照部署於黃昏時轉移陣地的官兵也只顧逃命，紛紛逃竄到邱清泉兵團防區。
據敵第2兵團、第13兵團將領的回憶，杜聿明於1月7日部署突圍，然而1月8日、9日兩個兵團根本沒有實施突圍部署的具體行動。
兩個兵團的敵軍擁擠在第2兵團的狹小地區，而兵團司令官和杜聿明則思考著如何逃命。
1月9日黃昏時分，杜聿明與邱清泉到陳官莊第5軍司令部，命令指揮部直屬部隊及戰車等部隊，在陳官莊以西集結，歸副參謀長文強指揮，還幻想10日在空軍放毒掩護下，實行突圍。
杜聿明和邱清泉一到陳官莊，解放軍的炮彈也跟蹤追來，他們趕緊躲到掩蔽部去。李彌及第5軍軍長熊笑三隨後也來了，他們都要求杜聿明在當晚作夜間突圍，但杜聿明仍主張照蔣指示，在10日上午白天突圍。
李彌、邱清泉和熊笑三三人都不同意杜的意見，認為白天突圍無希望，且認為不能再等，力主當夜即行突圍。杜聿明無法，便說：「如果你們要走的話，你們先走，我一個人在這裡守到底，以免耽誤了大家！」雙方由商量發展到爭論，直吵到晚上10時左右，熊笑三不高興地走了。
熊笑三走出掩蔽部不久，一時四周機關槍、大炮、手榴彈之聲大作，熊跑回來對杜說：「敵人已經打到司令部來了，要下決心突圍，再遲了就出不去啦！」
杜聿明聽到槍炮聲只在一邊響，知道是熊笑三有意弄把戲，迫他決定當夜突圍，就說：「這是你們部隊自己打的，你出去看看，為什麼這樣？」邱清泉明白杜聿明已看破了熊的詭計，就說：「笑三出去看看吧！」即與熊走了出去。他們出去不久，槍炮聲就停了。
邱熊兩人回來，再次要求必須當晚突圍，杜執拗不過，只好說：「既然都這樣主張，那就分頭突圍好了。」但李、邱、熊3人都要同杜聿明一道走。杜說：「這不是讓敵人一網打盡嗎！我們就這樣走，如何對得起部下！趕快通知他們自找出路。」
當邱、李等人走後，杜聿明向蔣介石發出最後一次電報說：「各部隊已混亂，無法維持到明天，只有當夜分頭突圍。」並通知文強將直屬部隊及戰車集合待命。
當蔣軍首腦紛紛作鳥獸散時，解放軍已以猛打、猛衝、猛攻的動作，迅速插入蔣軍中心陣地，迫使敵人無法再行調整一切，於是被俘的被俘，逃跑的逃跑，亂作一團了。
到午夜12時左右，李彌的13兵團已全部崩潰，青龍集、魯老家、朱樓集等地，均被解放軍攻佔了。殘餘潰兵，均湧入第2兵團陣地。
在第2兵團陣地上的74軍軍長邱維達，這時突然接到兵團司令邱清泉的電話：「李彌兵團垮了，共軍已佔領投擲場，請你注意！杜聿明已到黃莊戶準備突走，我不能統一指揮了，請你自決。」從此之後，電話再不通了。
邱維達立刻召集51師師長王夢庚，58師師長王奎昌，參謀長江崇林等人，欲決定突圍部署，但當時情況已十分緊急，潰兵亂作一團，要作有計畫的突圍已經不可能了，只能匆匆規定於深夜2時突圍，集合目的地是阜陽。
屆時，邱維達本人跟著51師主力由劉集向西南方向突去，但剛走出戰壕，就受到當面解放軍密集火力的阻擊，51師師長王夢庚當場中彈斃命，軍隊無人掌握，即時潰亂了。至天明，戰鬥結束，邱維達本人也作了俘虜。
再說由「剿總」副參謀長文強指揮的一路，於12時接到杜聿明的最後一次電話，要他們到第5軍軍部隨他一起行動。可是，等到他們在炮火中趕到第5軍軍部所在地時，杜聿明和邱清泉等人，連蹤影都不見了，只見杜的機要秘書馮石如從公文包中取出機密文件，慌慌張張地趕快加以燒毀。
群龍無首，大勢已去，各自逃生，部隊潰散。文強等人也追隨於亂軍之後向著東南角逃奔。
由於解放軍全體指戰員的英勇奮戰，至1月10日上午9時，徐州「剿總」杜聿明所部基本上被殲滅，只剩殘部萬餘人退守在陳庄西南劉集圩里，仍在抵抗。
解放軍的大炮正從四面八方向劉集圩里轟擊，濃煙滾滾，塵土衝天。
國民黨軍中將副參謀長文強成了俘虜。
邱清泉兵團的參謀長李漢萍成了俘虜。
外號「殺人魔鬼」的第2兵團司令邱清泉被擊斃。
第2兵團的第5軍軍長熊笑三，同負傷的第71軍軍長高吉人、副軍長唐化南等人，化裝成傷兵逃出包圍圈，最後逃到了上海。
第13兵團司令李彌從陳庄5軍掩蔽部出來後，眼見自己兵團陣地已經全垮了，自己成了光桿司令，乃夾在亂軍之中，化裝逃出包圍圈。後來，於1月底逃到了青島。
李彌兵團的第8軍軍長周開成，第9軍軍長黃淑、參謀長殿隆筠，第115軍軍長司元愷等人，都夾在亂軍中逃跑，最後都一一作了俘虜。
敵人的總指揮杜聿明帶著副官、衛士13人，先向西走出村莊，再轉向東北，沿途見槍聲漸停，四面沉寂，便鑽入壕溝里隱蔽起來。副官尹東生還給杜聿明剃去了小鬍子，換上普通士兵的服裝，並說：「留得青山在，不怕沒柴燒。」
然而，化妝後的杜聿明仍然沒有逃出華野的追捕，也被俘了。